JP2013085413A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】２種類のタイプの異なるバッテリを搭載した電気自動車であって、バッテリ交換の経済性を向上させた電気自動車を提供する。
【解決手段】電気自動車１００は、車輪駆動用のモータ６に電力を供給する第１バッテリＢＴ１と、第１バッテリＢＴ１よりも出力密度が低くエネルギ密度が高い第２バッテリＢＴ２と、コントローラ８を備える。第１バッテリＢＴ１の充電開始ＳＯＣ閾値は、第２バッテリＢＴ２のＳＯＣ使用下限値よりも低く設定されている。コントローラ８は、第１バッテリＢＴ１の電力をモータ６に供給するとともに、第１バッテリＢＴ１のＳＯＣが充電開始ＳＯＣ閾値を下回ったら第２バッテリＢＴ２を使って第１バッテリＢＴ１を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪駆動用の電動機（モータ）を有する電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、車輪駆動用の電動機（モータ）とエンジンを備えるとともに外部電源からバッテリを充電できるいわゆるプラグイン−ハイブリッド車も含まれる。

電気自動車にタイプの異なる２種類のバッテリを搭載することが提案されている（特許文献１−３）。一つは、内部抵抗が小さく、短時間ではあるが大きな電力（大きな電流）を供給することのできる高出力密度型のバッテリであり、他の一つは、内部抵抗が大きく、大きな電力（大きな電流）を供給することはできないがエネルギ密度が高い（電力容量が大きい）バッテリである。以下、前者を高出力密度バッテリと称し、後者を高エネルギ密度バッテリと称する。なお、出力密度は、バッテリの単位重量当たりの出力［Ｗ／ｋｇ］で表され、エネルギ密度は、バッテリの単位重量当たりの電力［Ｗｈ／ｋｇ］で表される。また、上記の表現において、「短時間」、「大きな電力」との表現は、２種類の異なるバッテリ（高出力密度バッテリと高エネルギ密度バッテリ）を比較した際の相対的なものである。

現在においては、高出力密度バッテリとしても高エネルギ密度バッテリとしても、リチウムイオンバッテリがよく採用される。同じリチウムイオンを使ったバッテリであっても、活物質の種類や活物質層の厚みなど、様々なパラメータを調整することにより高出力密度タイプにも高エネルギ密度タイプにも作ることができる。なお、バッテリの技術は急速に発展しつつあり、リチウムイオンバッテリに代わる高出力密度バッテリ／高エネルギ密度バッテリが登場する可能性もある。本明細書が開示する技術は、リチウムイオンバッテリに限定されないことに留意されたい。

２種類のバッテリを搭載することで、トータルとして高出力高エネルギ密度の電源を確保することができる。典型的には、高出力密度バッテリを搭載することで自動車の加速性能を向上させることができ、高エネルギ密度バッテリを搭載することで航続距離を伸ばすことができる。

特開２００８−０４１６２０号公報 特開２００６−２２３０２６号公報 特開２００６−１２１８７４号公報

バッテリは、充放電を繰り返すと劣化する。バッテリの劣化を示す指標として、ＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）がある。ＳＯＨは、初期の満充電容量（Ａｈ：アンペアアワー）に対する劣化時の満充電容量（Ａｈ）の割合で表される。電気自動車用のバッテリは、ＳＯＨが７５％程度になると交換した方がよいとされているが、ＳＯＨが７５％のバッテリを破棄してしまうのは不経済である。本明細書は、バッテリ交換の経済性を向上させる技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、従来より提案されている技術であってタイプの異なる２個のバッテリを電気自動車に搭載する、という技術を活用する。一般に、自動車の使用態様は、買い物などの比較的に短距離（典型的には一回の走行距離が３５ｋｍ以下）の利用が圧倒的に多い。３５ｋｍ程度の走行距離であれば、高出力密度バッテリが蓄える電力だけで賄える。従って、高出力密度バッテリを優先的に使うようにすれば、高エネルギ密度バッテリの充放電回数を少なくすることができる。即ち、高出力密度バッテリは劣化が進むが、一方で高エネルギ密度バッテリの劣化を抑制することができる。自動車に搭載されているバッテリのトータルのＳＯＨ＝７５％を交換の目安とし、仮に、高出力密度バッテリと高エネルギ密度バッテリの容量比を１：２とすると、高エネルギ密度バッテリのＳＯＨが８５％であれば、高出力密度バッテリはＳＯＨ＝５５％まで使用することができる（容量が２の高エネルギ密度バッテリのＳＯＨ=８５％、容量が１の高出力密度バッテリのＳＯＨ＝５５％で、トータルのＳＯＨ＝７５％となる）。さらに、高エネルギ密度バッテリのＳＯＨが９０％であれば、高出力密度バッテリはＳＯＨ＝４５％まで使用することができる（容量が２の高エネルギ密度バッテリのＳＯＨ=８５％、容量が１の高出力密度バッテリのＳＯＨ＝４５％で、トータルのＳＯＨ＝７５％となる）。そして、高出力バッテリのみを交換すれば、高エネルギ密度バッテリを交換することなく、電気自動車を使い続けることができる。本明細書が開示する技術は、高出力密度バッテリから優先的に電力をモータに供給し、高エネルギ密度バッテリのＳＯＨ低下を抑制することによってバッテリ交換の経済性を高める。

本明細書が開示する電気自動車は、車輪駆動用のモータに電力を供給する第１バッテリと、第１バッテリよりも出力密度が低くエネルギ密度が高い第２バッテリと、コントローラを備える。バッテリを制御するコントローラには、第１バッテリの充電開始ＳＯＣ閾値が、第２バッテリのＳＯＣ使用下限値よりも低く設定されている。コントローラは、第１バッテリの電力をモータに供給するとともに、第１バッテリのＳＯＣが充電開始ＳＯＣ閾値を下回ったら第２バッテリを使って第１バッテリを充電する。なお、第１バッテリが前述の高出力密度バッテリに相当し、第２バッテリが前述の高エネルギ密度バッテリに相当する。好ましくは、第２バッテリの容量が第１バッテリの容量よりも大きいとよい。

上記の電気自動車は、長距離走行に際し、高出力密度バッテリ（第１バッテリ）の容量だけでは不足した場合に高エネルギ密度バッテリ（第２バッテリ）の電力を使う。回生エネルギを利用するハイブリッド車では、走行中も回生エネルギによってバッテリが充電されるので、比較的に長距離走行しても高出力密度バッテリが充電開始ＳＯＣ閾値まで低下することは頻繁にあるわけではない。即ち、長距離走行に際しても、高エネルギ密度バッテリを使う頻度は大きくはない。また、外部電源によってバッテリを充電するタイプの電気自動車では、夜間に外部電源をつないで充電することが多いので、１日の走行距離が短ければ、高エネルギ密度バッテリの電力を全く使うことなく、夜間の充電で高出力密度バッテリのＳＯＣが回復する。高エネルギ密度バッテリの使用頻度を少なくすることで、トータルのＳＯＨが交換時期に達しても高出力密度バッテリだけを交換すればよく、バッテリ交換のコストを低減できる。

本明細書が開示する電気自動車ではさらに、高エネルギ密度バッテリ（第２バッテリ）は、昇圧コンバータを介して高出力密度バッテリ（第１バッテリ）に並列に接続されているとよい。

電気自動車の電力系のブロック図である。 ＳＯＨの経時変化の一例を示すグラフである。

図面を参照して実施例の電気自動車１００を説明する。図１に、電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。なお、図１は、本発明に関係するモジュールのみを示しており、電気自動車が有する全てのモジュールを示してはいないことに留意されたい。

電気自動車１００は、モータ６によって走行する自動車である。電気自動車１００は、２個のリチウムイオンバッテリ、即ち、第１バッテリＢＴ１と第２バッテリＢＴ２を備える。第１バッテリＢＴ１は、第２バッテリＢＴ２と比較すると、内部抵抗が小さく、大きな電流を供給することができる。但し、電力を供給できる時間は、第２バッテリＢＴ２よりも短い。第２バッテリＢＴ２は、第１バッテリＢＴ１ほどには大電流を供給できないが、長時間に亘り一定の電流を供給することができる。第１バッテリＢＴ１の容量（単位はアンペアアワー）は第２バッテリＢＴ２の半分程度である。第１バッテリＢＴ１が前述した高出力密度バッテリに相当し、第２バッテリＢＴ２が前述した高エネルギ密度バッテリに相当する。なお、同じリチウムイオンを使うバッテリであっても、電極に用いる活物質の材質や厚みなどを変えることによって、高出力密度タイプにもなり得るし高エネルギ密度タイプにもなり得る。また、第２バッテリＢＴ２の出力電圧は第１バッテリＢＴ１の出力電圧よりも低い。

図１に戻って電気自動車１００の説明を続ける。第１バッテリＢＴ１は、リレースイッチ１６を介してインバータ４の入力端子に接続している。インバータ４は、第１バッテリＢＴ１の出力電力、あるいは、電圧コンバータ２を介して昇圧された第２バッテリＢＴ２の出力電力をモータ６の駆動に適した交流電力に変換する。モータ６は、車輪を駆動するためのモータである。なお、インバータ４内には、第１バッテリＢＴ１の出力電圧をモータ駆動に適した電圧まで昇圧する電圧コンバータが内蔵されている場合もある。

インバータ４の２個の入力端子の間には、コンデンサＣ２が接続されている。別言すると、第１バッテリＢＴ１と並列にコンデンサＣ２が接続されている。コンデンサＣ２は、インバータ４に入力される電流の脈動を抑える目的で接続されている。

第２バッテリＢＴ２は、電圧コンバータ２の低圧側の端子に接続されており、電圧コンバータ２の高圧側の端子は第１バッテリＢＴ１に接続されている。別言すれば、電圧コンバータ２の高圧側の端子は、インバータ４の入力端子に接続されている。電圧コンバータ２は、２個のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、２個のダイオードＤ１、Ｄ２、及び、リアクトルＬ１で構成される回路であって、直流電圧を変換する昇降圧コンバータである。図１の左側の端子（低圧側の端子）に低圧の電源（例えば第２バッテリＢＴ２）を接続すると、図１の右側の端子（高圧側の端子）から、低圧電源の出力電圧よりも高い電圧を出力することができる。逆に、図１の右側の端子（高圧側の端子）に高圧の電源（例えば第１バッテリＢＴ１）を接続すると、図１の左側の端子（低圧側の端子）から、高圧電源の出力電圧よりも低い電圧を出力することができる。電圧コンバータ２が昇圧動作を行うか、低圧動作を行うかは、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２のいずれにスイッチング指令を与えるかによって定まる。その指令は、コントローラ８が与える。

電圧コンバータ２の低圧側には、コンデンサＣ１が接続されている。別言すると、第２バッテリＢＴ２と並列にコンデンサＣ１が接続されている。コンデンサＣ１は、電圧コンバータ２内部のリアクトルＬ１が発生する電流の脈動を抑える目的で接続されている。

電気自動車１００は、外部の充電器を接続するためのコネクタ１２及び１３を備える。コネクタ１３は、通常の充電器９２を接続するためのコネクタであり、コネクタ１２は、急速充電器９１を接続するためのコネクタである。通常の充電器９２を接続して第１バッテリＢＴ１を充電する場合は、切換器１５を接点ａ側に接続するとともに、リレースイッチ１６を閉じる。このとき、リレースイッチ１４は開放しておく。通常の充電器９２を接続して第２バッテリＢＴ２を充電する場合は、切換器１５を接点ｂ側に接続するとともに、リレースイッチ１４を閉じる。急速充電器９１を接続して第１バッテリＢＴ１を充電する場合は、切換器１７を接点ａ側に接続するとともに、リレースイッチ１６を閉じる。このとき、リレースイッチ１４は開放しておく。急速充電器９１を接続して第２バッテリＢＴ２を充電する場合は、切換器１７を接点ｂ側に接続するとともに、リレースイッチ１４を閉じる。リレースイッチ１４、１６、及び、切換器１５、１７は、コントローラ８が制御する。

バッテリ（第１バッテリＢＴ１と第２バッテリＢＴ２）の利用は、コントローラ８が制御する。コントローラ８は、第１バッテリＢＴ１のＳＯＣを常時チェックしており、そのＳＯＣが充電開始ＳＯＣ閾値を上回っている間は、リレースイッチ１４を開放する。なお、通常走行時は、コントローラ８はリレースイッチ１６を閉じている。即ち、第１バッテリＢＴ１のＳＯＣが充電開始ＳＯＣ閾値を上回っている間、電気自動車１００は、第２バッテリＢＴ２の電力は使わず、第１バッテリＢＴ１の電力でモータ６を駆動する。

第１バッテリＢＴ１のＳＯＣが充電開始ＳＯＣ閾値を下回ると、コントローラ８は、リレースイッチ１４を閉じ、電圧コンバータ２に昇圧動作を行わせる。即ち、第２バッテリＢＴ２の電力で第１バッテリＢＴ１を充電する。第１バッテリＢＴ１のＳＯＣが所定の値まで上昇すると、コントローラ８は、充電を終了し、電圧コンバータ２を停止するとともに、リレースイッチ１４を開放する。第１バッテリＢＴ１のＳＯＣが回復すると、モータ６は、再び、第１バッテリＢＴ１の電力のみで駆動される。

なお、ＳＯＣ充電開始ＳＯＣ閾値は、コントローラ８に記憶されている。コントローラ８には、また、第２バッテリＢＴ２のＳＯＣ使用下限値が記憶されている。コントローラ８は、第２バッテリＢＴ２のＳＯＣがＳＯＣ使用下限値に近づくと、運転席のインパネに備えられた、バッテリ残量警告灯を点灯させる。バッテリ残量警告灯は、外部電源による充電をユーザに促すランプである。

第１バッテリＢＴ１の充電開始ＳＯＣ閾値は、第２バッテリＢＴ２のＳＯＣ使用下限値よりも低く設定されている。また、第１バッテリＢＴ１は、電気自動車１００が日常的に走行する距離（例えば３５［ｋｍ］）を走行できるだけの容量を有している。一般的に、日常的な自動車の使用態様は、その多くが、走行距離が３５［ｋｍ］以下である。従って、第１バッテリＢＴ１のＳＯＣが走行中に充電開始ＳＯＣ閾値まで低下することは多くはない。電気自動車は多くの場合、夜間に外部電源が接続されてバッテリが充電される。日頃は、１日の終わりに第１バッテリＢＴ１のＳＯＣが充電開始ＳＯＣ閾値近くまで低下することがあるが、その後の夜間に外部電源が接続されて第１バッテリＢＴ１はＳＯＣを回復する。他方、第２バッテリＢＴ２は、ほとんどＳＯＣが低下しない。即ち、電気自動車１００では、第１バッテリＢＴ１は頻繁に充放電を繰り返すが、第２バッテリＢＴ２は、第１バッテリＢＴ１よりも充電頻度が顕著に低い。従って、第２バッテリＢＴ２は劣化の進行が極めて遅く、他方、第１バッテリＢＴ１は、（第２バッテリＢＴ２と比較して相対的に）早く劣化が進む。

コントローラ８は、また、第１バッテリＢＴ１と第２バッテリＢＴ２のＳＯＨもモニタしており、第１バッテリＢＴ１と第２バッテリＢＴ２のトータルのＳＯＨが７５％まで低下すると、ユーザにバッテリの交換を促す警告ランプを点灯させる。なお、トータルのＳＯＨは、次の（１）式で計算される。

［トータルのＳＯＣ］＝｛（［第１バッテリＢＴ１の初期容量］×［第１バッテリＢＴ１のＳＯＨ］＋［第２バッテリＢＴ２の初期容量］×［第２バッテリＢＴ２のＳＯＨ］）／（［第１バッテリＢＴ１の初期容量］＋［第２バッテリＢＴ２の初期容量］）｝×１００・・・（１）

今、仮に第１バッテリＢＴ１の容量と第１バッテリＢＴ２の容量が等しい場合、第２バッテリＢＴ２のＳＯＨが１００％近くある場合、１バッテリＢＴ１のＳＯＨが５０％まで低下してトータルのＳＯＨが７５％となる。トータルのＳＯＨが７５％となると、電気自動車はバッテリ交換を促す警告灯を点灯させるので、ユーザはバッテリを交換する。このとき、ユーザは、第１バッテリＢＴ１のみを交換すればよい。第２バッテリＢＴ２のＳＯＨが十分に高ければ、第１バッテリＢＴ１を交換するだけで、トータルのＳＯＨが大きく回復するからである。

図２は、各バッテリのＳＯＨの変化とトータルのＳＯＨの変化を模式的に示したグラフである。グラフＧ１が第１バッテリＢＴ１のＳＯＨを示しており、グラフＧ２が第２バッテリＢＴ２のＳＯＨを示している。また、グラフＧ３がトータルのＳＯＨを示している。前述したように、第１バッテリＢＴ１は第２バッテリＢＴ２よりも高頻度で充放電を繰り返すので、第１バッテリＢＴ１は、第２バッテリよりも早くＳＯＨが低下する。時刻Ｔ１で、トータルのＳＯＨが７５％となる。このとき、第１バッテリＢＴ１のＳＯＨは５０％であるが、第２バッテリＢＴ２のＳＯＨはまだ１００％近く残っている。時刻Ｔ１で第１バッテリＢＴ１を交換する。第１バッテリＢＴ１のＳＯＨは１００％となるので、トータルのＳＯＨも１００％近い値に復活する。さらに自動車の使用を続け、時刻Ｔ２でトータルのＳＯＨが再び７５％となる。このときも、第１バッテリＢＴ１のＳＯＨは５０％近くであるが、第２バッテリＢＴ２のＳＯＨはまだ極めて高い。ユーザは、時刻Ｔ２においても、第１バッテリＢＴ１のみを交換すればよい。交換後、トータルのＳＯＨは再び高い値に復活する。

上記の通り、実施例の電気自動車では、高出力密度型の第１バッテリＢＴ１の充放電の頻度が高エネルギ密度型の第２バッテリＢＴ２よりも顕著に高いので、第１バッテリＢＴ１は劣化が早いが、第２バッテリＢＴ２は劣化が遅い。トータルのＳＯＨが既定の値（バッテリ交換目安のＳＯＨであり、例えば７５％）まで低下したら、ユーザは第１バッテリＢＴ１のみを交換すればよいから経済的である。

（１）式から明らかな通り、第２バッテリＢＴ２の容量が第１バッテリＢＴ１の容量よりも大きければ、第１バッテリＢＴ１のＳＯＨが相当に低下しても、トータルのＳＯＨは、バッテリ交換目安のＳＯＨまで低下しない。従って、第２バッテリＢＴ２の容量が第１バッテリＢＴ１の容量よりも大きいことが好ましい。

電気自動車１００のその他の利点を説明する。第２バッテリＢＴ２は、昇圧コンバータ（電圧コンバータ２）を介して第１バッテリＢＴ１に並列に接続される。昇圧コンバータを介することで、第２バッテリＢＴ２の出力電圧を昇圧した後の電圧（昇圧後電圧）を自由に設定できる。即ち、昇圧後電圧と第１バッテリＢＴ１の電圧の差を自在に設定できる。高速に充電したい場合は、電圧差を大きくし、充電時間に余裕がある場合は、電圧差を小さくすればよい。電圧差が小さい方が、劣化が遅い。実施例の電気自動車１００は、昇圧コンバータを介することで、充電時間を変更することができるという利点を有する。

実施例に関する留意点を述べる。実施例の電気自動車１００は１個のモータを有する単純な電気自動車であった。本明細書が開示する技術は、車輪駆動用のモータとエンジンを有するとともに、外部電源を使ってバッテリを充電することのできるいわゆるプラグインハイブリッド車に適用することもできる。

実施例のバッテリ、特に、高出力密度型の第１バッテリとして、リチウムイオンバッテリなどのいわゆる狭義のバッテリに代えてキャパシタ（大容量コンデンサ）を用いてもよい。キャパシタも、一時的に電力を溜めるという点では狭義の「バッテリ」と同じ機能を有する。「キャパシタ」は広義には、「バッテリ」に含まれる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電圧コンバータ（昇圧コンバータ）
４：インバータ
６：モータ
８：コントローラ
１２、１３：コネクタ
１４、１６：リレースイッチ
１５、１７：切換器
９１：急速充電器
９２：通常の充電器
ＢＴ１：第１バッテリ（高出力密度バッテリ）
ＢＴ２：第２バッテリ（高エネルギ密度バッテリ）
Ｃ１、Ｃ２：コンデンサ
１００：電気自動車

Claims (3)

1. 車輪駆動用のモータに電力を供給する第１バッテリと、
   第１バッテリよりも出力密度が低くエネルギ密度が高い第２バッテリと、
   コントローラと、
   を備えており、
   第１バッテリの充電開始ＳＯＣ閾値が、第２バッテリのＳＯＣ使用下限値よりも低く設定されており、
   コントローラは、第１バッテリの電力をモータに供給するとともに、第１バッテリのＳＯＣが充電開始ＳＯＣ閾値を下回ったら第２バッテリを使って第１バッテリを充電することを特徴とする電気自動車。
2. 第２バッテリの容量が第１バッテリの容量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
3. 第２バッテリは、昇圧コンバータを介して第１バッテリに並列に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気自動車。

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